Thiết kế mạch điều áp một chiều

Tạo một điện áp tựa dạng điện áp răng cưa hay điện áp tam giác với một tần số xác định nào đó.. Mạch điều khiển điều áp một chiều gồm 3 khâu cơ bản: Khâu tạo tần số có nhiệm vụ tao điện

THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN ĐIỀU ÁP MỘT CHIỀU

1 Nguyên lý điều khiển

Mạch điều khiển điều áp một chiều có nhiệm vụ xác định thời điểm

mở và khoá van bán dẫn trong một chu kỳ chuyển mạch van bán dẫn Như

đã biét ở trên, chu kỳ đóng cắt van nên thiết kế cố định Điện áp tải khi điều khiển được tính

Trong đó:

td, tk, Tck: Thời gian dẫn, khoá van bán dẫn, chu kỳ đóng cắt

U1: điện áp nguồn một chiều

Mạch điều khiển cần đáp ứng yêu cầu điều khiển α bằng các lệnh theo một bguyên tắc nào đó

Để điều khiển α với chu kỳ đóng cắt Tck không đổi cần phải điều khiển khoảng thời gian dẫn của van bán dẫn trong chu kỳ đóng cắt

Nguyên lý điều khiển thời gian dẫn của các van bán dẫn trong điều

áp một chiều có thể thực hiện như sau

Tạo một điện áp tựa dạng điện áp răng cưa (hay điện áp tam giác) với một tần số xác định nào đó Dùng một điện áp một chiều (làm điện áp điều khiển) so sánh với điện áp tựa Tại thời điểm điện áp tựa bằng điện áp điền khiển thì phát lệnh mở hoặc khoá van bán dẫn

UTải = α.U1

CK d k d

d

T

t t t

t

= +

=

α

Hình 10 Nguyên lý điều khiển điều áp một chiều

UTải

t

t

Hình 10 trình bày nguyên lý điều khiển bộ điều áp một chiều Điện

áp tựa Urc so sánh với điện áp điều khiển Uđk Tại các thời điểm 0, t1, t2

Urc = Uđk sẽ phát lệnh mở hay khoá van bán dẫn Tại các sườn lên của điện

áp tựa Urc phát lệnh mở van bán dẫn, tại sườn xuống của Urc sẽ phát lệnh khoá van Theo cách đó các van bán dẫn sẽ mở tại 0, t2, t4 , và khoá tại t1,

t3 t5 Từ đó ta có điện áp tải như hình vẽ

Độ rộng xung điện áp tải được điều khiển khi điều chỉnh điện áp điều khiển Uđk Trên hình 10 tăng Uđk sẽ giảm α và giảm điện áp ra Nghĩa

là trong trường hợp này Uđk và Utải nghịch biến

2 Sơ đồ khối mạch điều khiển

Mạch điều khiển điều áp một chiều gồm 3 khâu cơ bản:

Khâu tạo tần số có nhiệm vụ tao điện áp tựa răng cưa Urc với tần

số theo ý muốn người thiết kế Tần số của các bộ điều áp một chiều thường chọn khá lớn hàng chục KHz Tần số này lớn hay bé là do khả năng chịu tần số của van bán dẫn Nếu van động lực là Tiristor tần số của khâu tạo tần

số khoảng 1-5 KHz Nếu van động lực là Tranzitor lưỡng cực, trường, IGBT tần số có thể hàng chục KHz

Khâu so sánh có nhiệm vụ xác định thời điểm điện áp tựa bằng

điện áp điều khiển Tại các thời điểm điện áp tựa bằng điện áp điều khiển thì phát lệnh mở hoặc khoá van bán dẫn Điện áp tựa dạng tam giác, có hai sườn lên và xuống Lệnh mở van động lực ở giao điểm sườn lên, thì ở giao điểm sườn xuống sẽ phát lệnh khoá van

Khâu tạo xung, khuếch đại có nhiệm vụ tạo xung phù hợp để mở

van bán dẫn Một xung được coi là phù hợp để mở van là xung có đủ công suất (đủ dòng điện và điện áp điều khiển), cách ly giữa mạch điều khiển với mạch động lực khi nguồn động lực hàng chục vôn trở lên Hình dạng xung điều khiển phụ thuộc loại van động lực được sử dụng

Van động lực là Tiristor xung điều khiển cần có là xung kim với sườn trước dốc thẳng đứng như đã giới thiệu ở chương 8

Van động lực là Tranzitor xung điều khiển có dạng xung chữ nhật

độ rộng của các xung này bằng độ rộng xung điện áp tải

Tạo tần

khuếch đại

Van động lực

Hình 10 Sơ đồ khố mạch điều khiển điều áp một chiều

3 Khâu tạo tần số

Có nhiều cách tạo điện áp tựa có tần số theo ý đồ của người thiết

kế Những sơ đồ tạo điện áp tựa điển hình có thể tạo ra ba dạng điện áp như

hình 10

Điện áp tựa dạng tam giác cân như hình 10 được tạo ra khi tần

sồ f-1/Tck cố định Độ rộng xung điện áp α có thể được điều chỉnh bằng

việc thay đổi cả thời điểm mở van bán dẫn ở sườn lên điện áp tựa và cả thời

điểm khoá van bán dẫn tại sườn xuống điện áp tựa Sơ đồ mạch tạo điện áp

tam giác cân như thế này được thực hiện tương đối đơn giản Tuy nhiên

việc tạo điện áp có cả hai cạnh lên và xuống cùng biển thiên như hình vẽ

thường được thực hiện bằng mạch RC, hình dạng các cạnh đó phụ thuộc

vào việc nạp và xả tụ Các đường nạp và xả tụ nhiều khi không hoàn toàn là

đường thẳng tuyến tính Các đường cong ấy có thể làm cho quan hệ giữa

điện áp điều khiển với khoảng dẫn α không tuyến tính Mặc dù vậy điện áp

tựa dạng tam giác cân thường hay được dùng hơn trong thực tế vì lý do dễ

thực hiện

Điện áp tựa dạng tam giác vuông hình 10 b,c cũng được tạo với

tần số cố định Khi thay đổi điện áp điều khiển, có một cạnh của tam giác là

cạnh góc vuông nên thời điểm mở (hay khoá) theo cạnh đó sẽ cố định trong

một chu kỳ Van bán dẫn chỉ được mở (hay khoá) theo cạnh huyền của tam

giác Sơ đồ mạch điện tử tạo điện áp vuông như thế này thường khó thực

hiện hơn, vì trên thực tế tạo cạnh góc vuông 900 không hoàn toàn chính

xác

Chúng ta xét một số sơ đồ tạo điện áp tựa của khâu tạo tần số

Tạo điện áp tam giác bằng dao động da hài

U

t

Hình 10 Các dạng điện áp tựa của mạch điều khiển

điều áp một chiều

a

Tck Tck Tck

Uđk

U U

t t

Điện áp tam giác cân có thể được tạo bởi một dao động đa hài bằng khuếch đại thuật toán (KĐTT) như hình 10 a

Sơ đồ dao động đa hài bằng KĐTT A1 có hai đường hồi tiếp Hồi tiếp âm về V- bằng mạch RC, hồi tiếp dương về V+ bằng mạch chia áp R1, R2 Hoạt động của sơ đồ hình 10 a có thể giải thchs như sau:

Giả sử điện áp ra của A1 đang dương nhờ hồi tiếp dương mà điện

áp ra bằng Ucc và không đổi, lúc đó điện áp vào cổng "+" có trị số:

Điện áp vào cổng "-" là điện áp nạp tụ, điện áp nạp tụ tăng dần đến khi V+ = V- Tại t1 đầu ra lật trạng thái từ dương xuống âm, điện áp V+ đổi dấu từ dương xuống âm, điện áp trên tụ đổi chiều nạp tụ

Chu kỳ dao động của mạch được xác định:

Tần số xung:

Trường hợp đặc biệt R1 = 2R2ta có:

T = 2.R.C.ln 2 = 2.R.C.0,69 R1 = R2 T = 2.R.C.ln 3 = 2.R.C.1,1 = 2,2 R.C

Để phối hợp trở kháng giữa điện áp trên tụ với tải bên ngoài cần dùng thêm khuếch đại A2

Tạo điện áp tam giác bằng tích phân sóng vuông

+A1

t

V+

V _

b

V+

V_ R

R1 R2 C

a

+ A2 R3

Mạch tạo điện áp tam giác cũng có thể nhận được từ bộ tích phân xung vuông như hình 10 Xung vuông có thể tạo bằng nhiều cách khác nhau Tích phân xung này chính là quá trình nạp, xả tụ nếu điện áp vào khâu tích phân không đối xứng có thể xuất hiện sai số đáng kể

Điện áp tựa trên hình 10 b mang tính phi tuyến cao Điện áp tựa

có thể nhận được tuyến tính hơn nếu sử dụng sơ đồ hình 10 a Khuếch đại A1 có hồi tiếp dương bằng điện trở R1, đầu ra có trị số điện áp nguồn và dấu phụ thuộc hiệu điện áp hai cổng V+, V-

Đầu vào V+ có hai tín hiệu, một tín hiệu không đổi lấy từ đầu ra của A1, một tín hiệu biến thiên lấy từ đầu ra của A2 Điện áp chuẩn so sánh

để quyết định đổi dấu điện áp ra của A1 là trung tính vào V- Giả sử đầu ra của A1 dương UA1 > 0 khuếch đại A2 tích phân đảo dấu cho điện áp có sườn đi xuống của điện áp tựa Sườn đi xuống của điện áp tựa tới lúc điện

áp vào R1, R2 trái dấu, tới khi nào V+ = 0 đầu ra của A1 đổi dấu thành âm Chu kỳ điện áp ra của A1 cứ luân phiên đổi dấu như vậy cho ta điện áp ra như hình 10 .b

Tần số của điện áp tựa được tính:

Bằng cách chọn các trị số của điện trở và tụ điện ta có được điện áp tựa có tần số như mong muốn

Tạo điện áp tam giác bằng dao động tích thoát

Mạch dao động tích thoát bằng UJT (tranzitor đơn nối) cũng có thể cho chúng ta một điện áp tam giác

Mạch điện hình 10 là một mạch tích thoát cơ bản, trong đó R1, R2 nhận các tín hiệu xung Tụ C và điện trở Rt là mạch nạp để tạo điện áp tam giác không tuyến tính trên tụ C

Hoạt động của sơ đồ hình 10 như sau:

1

2

3 4

1

R

R C R

f =

+

-R1

R2

R3

C

V

V

+

Khi mới đóng điện tụ C đẳng thế, coi UE = 0, tranzitor ở trạng thái khoá Tụ C nạp qua điện trở Rt làm UE tăng đến điện áp đỉnh với trị số:

lúc đó diod EB dẫn Tụ Cxả nhanh qua diod EB - RB - R1 Khi tụ C xả từ

UP đến ngưỡng dưới Umin diod EB ngưng dẫn, tụ nạp trở lại bắt đầu một chu kỳ mới

Tần số dao động của mạch:

Hình 10 Mạch dao động tích thoát

a sơ đồ nguyên lý, b sơ đồ thay thế, c các đường cong

V U

R R

R U

U

B B

B EB

B

2

!

+

= +

=

2 1

1

1

1 ln

1

B B B T

R R R C

R f

+

−

=

E Rt

C

R1 B1 B2 R2 +Ucc

0

E Rt

C

R1 B1

B2

R2 +Ucc

0

R

R B2

B1

U E

U B2

U B1

U P

c

Gần đúng coi

lúc đó

Mạch tạo điện áp tam giác dùng IC566

Mạch VCO (Voltage Control Osilator - mạch dao động điều khiển bằng điện áp) dùng IC 566 có hình dáng cấu trúc trên hình 10

Các chân:

1 GND: Nối đất

2 NC: Không dùng

3 Square Ware Output: Đầu ra sóng vuông

4 Triangle Ware Output: Đầu ra sóng tam giác

5 Modulation Input: Đàu vào điều chế>

6 R: Chân vào nối điện trở

Hình 10 Sơ đồ cấu trúc IC 566

Current Sources

Schmitt Trigger

1 7

5

4 3

7 C: Chân vào nối tụ

8 +Ucc: Nguồn nuôi dương

Mạch nguồn dòng điện (current sources) có tác dụng giữ cho dòng điện nạp tụ C qua điện trở R có trị số ổn định Dòng điện nạp tụ có thể điều chỉnh bằng điện áp tựa vào chân 5 Điện áp trên tụ khuếch đại đệm dưa ra chân 4 tăng theo hàm bậc nhất

Mạch Trigger Schmitt cho ra dạng sóng điện áp hình vuông khuếch đai đệm dưa ra chân 3

Mạch khuếch đại đệm trong IC để khuếch đại sóng vuông và tam giác, đồng thời phối hợp trở kháng để đưa tới các tầng sau

Thay đổi điện áp đưa vào chân 5 làm thay đổidòng điện nạp tụ C dẫn tới thay đổi tốc độ nạp tụ Kết quả là thay đổi tần số sóng vuông và tam giác ra

Trong đó:

R - điện trở vào chân 6

C - tụ điện nối vào chân 7 U5 - điện áp chân 5 - chân điều chỉnh Trị số được phép 3/4.Ucc < U5 < Ucc

Trị số điện trở R giới hạn: 2 kΩ < R < 20 kΩ

Trên hình 10 vẽ một mạch ứng dụng tạo điện áp tam giác

≈ 5000 Hz

≈170 Hz

Mạch dao động dùng IC 567

1 7

5

3 4 +Ucc = 12 V

0

15 K

5 K

0,01MF

IC 567 là loại IC vòng khoá pha có khối dao động CCO (Current Control Oscilator – dao động tạo xung được điều khiển bằng dòng điện) Hình dáng cấu trúc của IC này được mô tả trên hình 10

Chức năng các chân:

Output Filter C3 – chân nối lọc tụ đầu ra

Low Rass Filter C2 – chân nối tụ C2 xuống mass để lọc tín hiệu tần

số thấp

Input – chân nhận tín hiệu đầu vào

+Ucc – chân dương nguồn nuôi 4,75 – 10 V

Timing R1 – chân nối điện trở giữa chân 5 và 6 để định tần số CCO

Timing R1, C1 – chân nối tụ lọc xuống mass

tần số xác định:

Hình 10 Sơ đồ cấu trúc IC 567

Input detector

VCO

Quadrature phase detector

4

2

8

1 7

6

5

3

+Ucc

R

C

2.2MF

1MF

Ground – nối đất (mass)

Output - đầu ra với colector hở

Nguyên lý tạo xung của IC như sau:

Điện trở R ở chân 5 và tụ C ở chân 6 xác định tần số dao đông của

mạch

Tín hiệu fo đồng thời đưa vào hai khối so pha và so áp vuông pha Mạch dao động có dạng xung vuông ở chân 5 và xung tam giác ở chân 6 Khi chân 5 có điện áp mức cao, tụ C nạp, chân 6 có điện áp tăng Khi chân 5 có điện áp mức thấp, tụ C xả, chân 6 có điện áp giảm như mô

tả trên hình 10

Một sơ đồ ví dụ tạo xung tam giác giới thiệu trên hình 10

U5

U6

t

t

4

8

1 5 6 7

2

+Ucc

X

Tạo điện áp tam giác vuông

Mạch tạo điện áp tam giác vuông có thể tạo được từ dao động đa hài không đối xứng hình 10

Hằng số thời gian nạp tụ phụ thuộc phần điện trở trên VR Bằng cách thay đổi vị trí con chạy của biến trở, hai chiều nạp tụ có hai trị số điện trở khác nhau Từ đó có độ dốc của hai chiều nạp tụ khác nhau Hai cạnh tam giác có độ nghiêng khác nhau Khi vị trí con chạy nằm sát mép trên của hình vẽ nạp tụ theo chiều đi lên dài hơn, nạp theo chiều đi xuống nhanh hơn và ngược lại

Trong ba khâu điều khiển trên khâu so sánh tương tự như các khâu tương ứng trong chỉnh lưu ở đây không giới thiệu chi tiết

4 Khâu so sánh

Hình 10 Sơ đồ tạo điện áp tam giác,

vuông

Hình 10 Sơ đồ mạch tạo sóng tam giác vuông

t

V+

b

V+

VR

R1 R2 C

a

D1 D2

Urc

Udk

Tương tự như các mạch so sánh thường gặp Khâu so sánh của điều

áp một chiều sẽ xác định thời điểm mở và khoá van bán dẫn Đàu vào của khâu này gồm có hai tín hiệu, điện áp tựa (điện áp tam giác) và điện áp một chiều làm điện áp điều khiển Một trong những sơ đồ ví dụ điển hình giới thiệu trên hình 10 a và dạng điện áp vào, ra trên hình 10 b

Từ hình 10 b thấy rằng trong mỗi chu kỳ điện áp tựa có hai thưòi điểm điện áp tựa bằng điện áp điều khiển Tại các thời điểm đó, đầu ra của khâu so sánh đổi dấu điện áp Tương ứng với các thời điểm đột biến điện

áp đầu ra của khâu so sánh cần có lệnh mở hoặc khoá van bán dẫn

4 Khâu khuếch đại

Mạch động lực như đã giới thiệu ở trên có thể thực hiện bằng hai loại linh kiện khác nhau Do đó việc thiết kế mạch điều khiển cho hai loại linh kiện đó có những đặc điểm hơi khác Chúng ta thiết kế mạch khuếch đại cho hai loại linh kiện đó

a Mạch điều khiển cho điều áp một chiều bằng Tiristor

Trong các sơ đồ mạch kinh điển điều áp một chiều bằng Tiristor cần

có hai lệnh mở và khoá van bán dẫn tương ứng với các thời điểm đột biến điện áp ra trên hình 10 b

Mạch khuếch đại cho Tiristor trong bộ điều áp một chiều hình 10 a giới thiệu trên hình 10 b, c Các xung điều khiển cho hai thời điểm mở và khoá van bán dẫn đông lực cần hai mạch khuếch đại Nếu sử dụng sơ đồ khuéch đại có hai mạch lhuếch đại giống nhau như hình 10 b, thì cần có

bộ đảo dấu A2 sau khâu so sánh Ưu điểm của sơ đồ mạch này là đơn giản trong việc thiết kế nguồn nuôi cho mạch, hai mạch khuếch đại có linh kiện giống nhauôsex đơn giản khi chọn linh kiện

Mạch khuếch đại trên hình 10 c có thể giải thích dễ dàng về nguyên lý, theo hoạt động của hai loại tranzitor NPN, PNP ở sườn lên của điện áp so sánh phát lệnh mở T1, ở sườn xuống phát lệnh mở T2 Tuy nhiên việc thiết kế nguồn nuôi đối xứng làm phức tạp thêm mạch nguồn và

hai tranzitor khác loại cũng có thể được coi là nhược điểm Với những lý

do đó mà mạch này ít được chọn khi thiết kế

Một sơ đồ mạch hoàn chỉnh điều khiển bộ điều áp một chiều được giới thiệu trên hình 10

Udk

Urc

T1

T2

Tr1

Tr2

R1

R2

D1

BAX1

Uss

Udk

Urc

T1

T2

Tr1

Tr2

R1

R2

D1

BAX1

BAX2 D4 +15V

D3

Uss

+

+

R3

R4

A1

A2

T1 T2 D L

C +

Tr1

Tr2

Tr3 Tr4 R6

R7

D1

BAX1 +15V D2

BAX2

D4

+15V D3

+ +

R8

R9

A3

A4

+

-R1

R2

R3

C

V

V

+

_

T1

T2

X2 X1

UA

UB

UC

X1

X2

U tai

Udk

t

t

t

t

t R4

R5